工业4.0与物联网火热 助长EtherCAT声势
- DIGITIMES企划
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随着工业自动化、工业4.0、工业物联网等议题延烧，诸多技术辞汇应运而生，它们未必此刻才初出茅庐，多数在过去还未崭露头角，仍在与许多同质技术互争长短，直至最近才脱颖而出，EtherCAT便是典型之例，颇值得工业应用开发者多加研究学习。
许多关注工业4.0发展的人们，都慢慢发现到，相关技术标准逐渐形成大一统趋势，以网络通讯标准而论，以往在所谓的车间(Shop Floor)部份，立基于以太网络的现场汇流排通讯技术协定可谓百家争鸣，光是比较经常为人所听闻的，便有PROFINET、POWERLINK、EtherNET I/P、Modbus/TCP、EtherCAT等不同项目；但在近几年，整个大势明显朝向EtherCAT靠拢。
不仅如此，EtherCAT技术协会还积极向OPC基金会争取合作，期望透过两个组织的力量，共同定义适用在工业4.0及物联网的通用界面，最终基于EtherCAT将工业应用环境的机台设备予以整合，加速迈进工业4.0愿景。
其中由OPC基金会所主导的技术，即是为人熟悉的OPC UA(Unified Architecture)，主要是基于工厂或制程到企业信息系统之间的传输需求所设计，该项技术承袭过去的OPC，所不同之处在于大幅强化了可靠性、安全性与互通性。
EtherCAT结合OPC UA 统合工业物联网通讯标准
由此看来，OPC UA与定位在实时工业以太网现场汇流排技术的EtherCAT，可望形成优势互补局面，企业可利用EtherCAT进行机台设备的控制，同时透过EtherCAT自动化协议(EAP)，非常简单地在EtherCAT主站之间进行数据交换，接着借重OPC UA平台，经由数据加密传输的方式，将工业现场的信息安全可靠地传递到MES、ERP等企业信息系统，甚至是云端。
既然EtherCAT未来能见度如此看涨，身为工业控制应用或产品的开发者，即有必要认真研究这套通讯技术。
众所皆知，传统工业控制走的是集中化路线，藉助诸如PLC、运动控制卡等高端昂贵的硬件装置，搭配专属封闭的通讯协定，据以满足运动控制、视觉、通讯I/O等等不同方面的运作需求，功能需求愈多，所需部署的硬件数量就愈大，不仅徒增成本支出，也容易导致系统复杂性升高、维护负担加重，无可避免地会遭到特定厂商「绑架」。
更值得忧心的是，假使在偌大的集中化控制架构当中，有任何环节发生故障，将牵一发动全身，致使整个系统为之瘫痪，进而对生产线构成极其不利的影响。不难想像，随着工业4.0、IoT、云端时代来临，驱使制造业必须走向智能生产、弹性制造的新格局，遂让控制需求水涨船高，而需要连动控制的轴数也大幅激增，此时依旧一味沿用传统扩展弹性较低的控制模式，唯恐走入进退失据的窘境。
值此时刻，分散式控制系统于是趁势崛起。伴随电脑运算能力愈趋强劲，且体积尺寸愈趋小巧，使得工业电脑得以被安装在机台设备旁边，肩负起制程控制任务，再经由网络连结到所有个别机台设备的控制器，如此一来，不仅让过往集中式架构中关于安装、扩展、升级、维护等难题迎刃而解，也拜所用设备与布线相对精简所赐，使得总体持有成本应声骤降。基于这些理由，分散式架构逐渐跃居工业控制市场的主流。
事实上，不少大厂早已看出少量多样及定制化生产趋势来临，制造业者在布建自动化控制系统时，对于成本控制、扩充弹性的重视程度，必然节节高涨，于是亟思打造串行通讯技术方案，让旗下的I/O、驱动器、伺服马达等各式元件得以有效串联，借此降低对于高端电脑装置的仰赖性，然而这般做法终将面临阻碍，此乃由于，单一厂商就算规模再大、产品再多，也不可能包山包海，100%满足用户的所有工业控制应用需求，用户终究有采用他牌产品的需要，这些后进的设备，都无法整合到这个控制体系。
于是乎，有大厂索性自订通讯协定，并张开双臂欢迎所有设备加入支持行列，譬如西门子的PROFINET即是最典型的例子，其旨在化解用户之于异质厂牌设备难以整合之疑虑，但后续发展却事与愿违，如此宏愿，终究不敌商场现实而无法成形。
因为不论是西门子或其他大厂有意开放通讯协定，但他们往往忽略掉，他们已站在产业巨人的位置，供应多不胜数的产品项目，其他厂商即耗费心力来支持这些通讯协定，客户依旧会倾向自这些大厂购买产品，所以他厂通过协定徒具形式，并无太大实质意义，导致兴趣缺缺。
EtherCAT前景看涨 各路大厂竞相拥抱
反观德国的Beckhoff则另辟蹊径，主张藉由软件控制器技术，搭配单一线路，用以取代传统控制器硬件及复杂布线结构，于焉产生了EtherCAT这项通讯协定；由于Beckhoff角色相对于一干大厂更显中立，较不涉及商场间利益冲突问题，辅以协定深具数据同步过程的信号抖动量低、信息传输延迟时间低(小于1微秒)，及硬件成本低等诸多优势，确实甚具诱因，遂让全世界众多厂商趋之若鹜，群起加入支持行列，相关产品相继问市，影响所及，也一步步将EtherCAT推向主流地位。
发展至今，台湾各大工业电脑供应商，都陆续端出EtherCAT解决方案。起步甚早的新汉电脑，不仅推出名为NexECM的EtherCAT主站控制器，也提供EtherCAT从站模块(EtherCAT Save Modules)，诉求透过主从搭配，再整合EtherCAT主站函式库与CiA402函式库，形成新一代低成本的运动控制方案，不仅可向下控制机台，亦能向上联系工厂与网络世界，更透过完整功能、弹性界面与精确实时等特性，协助自动化设备制造商大幅节省各种配线、线材建置与维护成本，也不逊于其他奔驰级控制器的效能，发挥最大弹性生产效率。
凌华科技同样对EtherCAT着力甚深，也推出新一代EtherCAT解决方案，其间含括一组符合IEC 61131-3标准的自动化控制器，具备实时控制功能的I/O，再加上运动控制系统，标榜可提供优异的性能与精准的控制应用。
值得一提的，凌华的EtherCAT方案尽管横跨主、从两端，但仍蕴含软件式PLC诉求的兼容开放性，不论「主」或「从」任何一端非属凌华产品，同样以兼容无虞；举例而言，客户欲将凌华提供的运动控制模块，与诸如OMRON等他牌EtherCAT Master串接，若再往后端串接各式步进马达、DD马达或泛用伺服马达，也能予以广泛支持。
身为工业电脑领导厂商的研华，其EtherCAT解决方案也一样兼具主从两端，主站部份是名为PCI-1203的EtherCAT Universal PCI Master Card，从站模块则是ADAM-5000/ECAT I/O系统；研华旗下的研华宝元，已根据这些基础发展出各式EtherCAT实时控制系统，强调可将各机台设备的控制器，与伺服马达、I/O、传感器、输送带、上下料机器人、检测模块等种种周边元件，全都透过EtherCAT加以串接，由研华宝元的系统执行控制。
尽管EtherCAT展现不凡气势，开发者很难忽视这一股新兴力量，但意欲投入EtherCAT相关产品研发，仍会面临一些挑战，除了得费时研究与学习EtherCAT相关知识，后续的实际开发过程，亦触及颇为繁复的设定需求。
有监于此，以提供RTX64实时操作系统着称的美商英特蒙(IntervalZero)，研发出KingStar软件平台，除了标榜无需藉助ACS Motion、Aerotech、Galil等等任何硬件式运动控制卡，便能广泛支持各种硬件装置、I/O或驱动器，以及内含Soft Motion、Soft PLC等完整功能，并支持支持第三方GigE Vision视觉控制技术外，也强调用户一旦选定所需的EtherCAT硬件设备后，KingStar就会自动协定完成设定，以利客户加快产品开进程。
